Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0086

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0086
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Создание имплантируемых трехмерных биокострукций из титановых сплавов с развитым рельефом поверхности и биоактивным наноструктурным покрытием с антибактериальным эффектом
Докладчик
Сухорукова Ирина
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели проекта: 1) Разработка новых научных подходов и технических решений к получению композиционных материалов с улучшенной остеокондуктивностью за счет получения развитой (шероховатой) поверхности, обеспечивающей хороший механический контакт вследствие врастания новой костной ткани, и функционализации поверхности для придания ей биоактивных характеристик и антибактериальных свойств путем введения бактерицидных элементов в поверхностный слой или лекарственных препаратов в сформированный микрорельеф.
2) Выработка рекомендаций по использованию полученных имплантатов в медицинской практике. Подготовка нормативной документации для проведения биологических испытаний in vivo.

Задачи:
1. Разработка технологии модифицирования поверхности металлических биоматериалов методом импульсной эрозионной обработки (ИЭО) в различных средах с целью одновременного увеличения шероховатости поверхности и насыщения функциональными элементами.
2. Разработка методики модифицирования поверхности трехмерных био-конструкций путем осаждения биосовместимого наноструктурированного покрытия с антибактериальным эффектом.
3. Разработка методики насыщения биоимплантатов с развитым рельефом поверхности лекарственным препаратом.
4. Проведение комплекса структурных исследований
5. Исследование физико-механических и функциональных свойств трехмерных био-конструкций.
6. Проведение комплекса биологических исследований с целью изучения биосовместимости, биоактивности и антибактериальных характеристик материалов.
Актуальность и новизна исследования
Несмотря на большое количество исследований, посвященных разработке и исследованию антибактериальных покрытий, на сегодняшний день не существует материала, отвечающего всем необходимым клиническим требованиям. Сложность задачи состоит в необходимости достижения высокой антибактериальной эффективности при сохранении биосовметимости и биоактивности. Разработан новый комплексный подход к получению композиционных биоматериалов с улучшенным комплексом свойств за счет получения развитой поверхности, обеспечивающей хороший механический контакт вследствие врастания новой костной ткани, и функционализации поверхности для придания ей биоактивных характеристик и антибактериальными свойствами путем введения бактерицидных элементов в поверхностный слой или лекарственных препаратов в сформированный микрорельеф. Разработаны новые составы электродных материалов и технология их получения методом СВС. Разработаны новые составы биоактивных покрытий с антибактериальным эффектом и технология их получения различными методами. Разработана методика насыщения биоматериала с развитым рельефом поверхности лекарственным препаратом. Впервые получены экспериментальные образцы имплантатов, обладающих биоактивными и антибактериальными свойствами, а также подтверждена биологическая совместимость разработанных материалов. В ходе выполнения проекта оформлены ноу-хау на состав многокомпонентного биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом, а также на состав и способ получения новых электродных материалов на основе карбида титана с кобальтовой связкой для импульсного электроискрового осаждения биоактивных антибактериальных покрытий.
Описание исследования

Модифицирование поверхности металлических биоматериалов с целью одновременного увеличения шероховатости поверхности и насыщения функциональными элементами проводится методом импульсной эрозионной обработки (ИЭО). Применение метода ИЭО позволяет сформировать достаточно толстое покрытие толщиной от 1 до 100 мкм, с шероховатостью 1-10 мкм и заданным элементным и фазовым составом. Это достигается выбором состава электродного материала, режимами ИЭО и условиями (средой) модифицирования поверхности. 

Последующее модифицирование поверхности трехмерных био-конструкций осуществляется путем магнетронного напыления наноструктурированного покрытия оптимального состава. На основе концепции нанокомпозиционных материалов возможно создание покрытий, в которых одни фазовые компоненты обеспечивают хорошие механические характеристики, а другие являются биоактивными. За счет оптимизирования элементного и фазового состава получены многокомпонентные биоактивные наноструктурированные покрытия с превосходным сочетанием химических, механических, и биологических свойств, предназначенные для модифицирования поверхности имплантатов, испытывающих статические и динамические нагрузки. Оптимальным является состав Ti (23-25ат%), Сa (1-1,3ат%), P (0,5-0,6), C (30-33%), O (4-6ат%), N (32-34ат%), при котором происходит формирование плотной нанокристаллической структуры, обеспечивающей комплекс высоких химических, механических и трибологических, характеристик. Наличие функциональных добавок (Ca, P, O) обеспечивает биоактивность поверхности покрытий. Для придания материалу антибактериальных характеристик в состав покрытия вводится антибактериальный компонент (серебро, бор). В рамках настоящего проекта за счет варьирования параметров технологического режима нанесения покрытий (ток магнетрона, ток и напряжение ионного источника, смещение, диаметр калибровочной диафрагмы, время осаждения покрытий, состав мишени) получены покрытия с содержанием серебра 0,4-4% и бора 5-15%.

Другим возможным подходом к получению антибактериальных поверхностей является насыщение поверхности покрытия с развитым рельефом лекарственным препаратом. В качестве лекарственного препарата использовался амоксициллин (торговое название – Аугментин) – антибиотик широкого спектра действия, оказывающий  бактерицидное действие. Насыщение поверхности лекарственным препаратам обеспечивает эффективное антибактериальное действие в начальный период, что позволяет предотвратить образование плотного слоя высокоадгезивных бактерий  на поверхности покрытий.

Исследование состава, структуры и топографии модифицированных слоев и покрытий проводилось с использованием современных аналитических методов, включая сканирующую электронную микроскопию, просвечивающую электронную микроскопию, рентгенофазовый анализ, оптическую эмиссионную спектроскопию тлеющего разряда, спектроскопию комбинационного рассеяния и инфракрасную спектроскопию, атомно-силовую микроскопию, оптическую профилометрию. 

Результаты исследования

Разработаны новые составы электродных материалов (ЭМ) для модифицирования поверхности материала имплантата.  Разработаны технология и лабораторный регламент получения электродов. Получены экспериментальные образцы электродов. Проведены структурные исследования полученных ЭМ. Проведены эксперименты по модифицированию поверхности титановых сплавов методом импульсной электроэрозионной обработки на воздухе и в защитной атмосфере с использованием новых электродных материалов (ЭМ). Проведены параметрические исследования, устанавливающие взаимосвязь между режимами импульсной электроэрозионной обработки и составом, структурой и топографией модифицированного слоя.

Разработаны новые составы многокомпонентных биоактивных наноструктурированных покрытий с антибактериальным эффектом за счет научно-обоснованного легирования антибактериальным элементом. Разработан лабораторный регламент получения экспериментальных образцов имплантатов с покрытием. Проведены параметрические исследования, устанавливающие взаимосвязь между режимами осаждения покрытий и их составом, структурой и функциональными свойствами. Изучено распределение антибактериального компонента в покрытиях. Разработана методика насыщения поверхности имплантата с развитой поверхностью лекарственным препаратом.  Изучена кинетика выхода бактерицидного элемента. Изучена кинетика выхода лекарственного препарата. Исследована биоактивность покрытий методом погружения в физиологический раствор.  

Разработана методика оценки биосовместимости и биоактивности новых видов материалов in vitro. Разработана методика оценки бактерицидных свойств новых материалов с использованием патогенных бактерий. Исследована биосовместимость антибактериальных покрытий in vitro. Исследован бактериостатический эффект антибактериальных покрытий.

Изготовлены титановые имплантаты для черепно-челюстно-лицевой хирургии (минипластины, перфорированные пластины, реконструктивные пластины), для хирургии позвоночника (пластины накостные, контейнерные кейджи),  для ортопедии (пластины для остеосинтеза трубчатых длинных костей) для осаждения наноструктурированных биоактивных покрытий с антибактериальным эффектом.  

Уровень проводимых ПНИЭР в области получения и обработки титановых имплантатов с развитым рельефом поверхности для ортопедии, челюстно-черепно-лицевой хирургии и хирургии позвоночника с улучшенной биоактивностью и бактерицидностью за счет формирования модифицированных слоев и покрытий не уступает мировому, а в ряде случаев и превышает мировой уровень, о чем свидетельствуют многочисленные публикации исполнителей работы в ведущих отечественных и зарубежных журналах.

Практическая значимость исследования
Использование разрабатываемых материалов для создания имплантатов позволит обеспечить более эффективное и быстрое приживление имплантатов и существенно снизить риски возникновения бактериальной инфекции. В результате длительность и стоимость реабилитационного периода будет сокращаться, что, в конечном счете, обеспечит более высокий уровень жизни населения. Полученные результаты и разработанные методы имеют высокую научную значимость и могут быть использованы для постановки ОТР, направленных на разработку технологии получения поверхностно-модифицированных титановых имплантатов с развитым рельефом поверхности и биоактивным наноструктурным покрытием с антибактериальным эффектом.